車用結構膠在白車身門框變形量優化中的應用

2017-01-05  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

隨著膠粘技術的發展,車用膠粘在汽車設計中的應用越來越廣泛,密封膠、減振膠、阻尼膠、折邊膠、結構膠等粘膠都已成為汽車產品中的必要材料。然而,密封膠、減振膠、折邊膠等大部分車用粘膠都屬于功能性用膠,主要以PVC材料為基材,強度較低,不適合用于結構連接,而以環氧樹脂及PU材料為基材的結構膠可效地用于車身結構連接。車用結構膠不但能夠提高車身剛度、耐久性能,降低結構應力集中,而且能夠進行不同材料的異質連接(鎂鋁合金等材料在車身上的應用),對汽車輕量化的研究也有著重要的意義,同時結構膠中的結構泡沫可用于填充車體結構空腔,通過迅速提高腔體局部剛強度,從而實現對車體整體性能的提升。

白車身的門框變形量分析是白車身扭轉工況下的一個常規分析,白車身的門框變形量過大可能導致異響性能衰減過快等系列問題,因此扭轉工況下的白車身門框變形量必須嚴格控制在一定范圍之內。本文以某車型的白車身為例,應用Altair公司的HyperMesh軟件分別對結構粘膠(Adhesive bonding)及結構泡沫(structural foam)進行有限元建模。在不改變該車體結構的前提下,借助CAE手段,考察兩種不同的車用結構膠對該白車身門框變形量的優化效果,需求對白車身門框變形量最佳的優化方案。

隨著汽車行業的發展,人們對汽車性能要求的不斷提高,傳統的車身連接技術已經不能夠完全滿足人們的需求。汽車膠連技術的不斷成熟,結構膠在車身上的應用能夠有效地提高車身剛度、耐久性能,降低結構應力集中,同時進行不同材質的有效連接,因此結構膠在車身上的應用越來越廣泛。

與傳統的焊點連接比較,結構膠有著較明顯的優勢:

1. 可消除結構應力突變,降低連接處的應力,使載荷均勻分布;

2. 提高結構抗疲勞壽命,具備更高的承載能力;

3. 進行不同材質的連接,提高連接強度等。

3.1 粘膠材料材料參數

表1 粘膠材料參數

3.2結構粘膠Adhesive bonding的模擬

結構粘膠可用Solid、RBE2及RBE3單元模擬,粘膠實體單元與粘連基板之間的連接用RBE2單元模擬,與被粘連基板之間的連接用RBE3模擬,如下圖所示:

在HyperWorks中,根據車體結構應變能情況,在車體結構應變能較大的區域作為涂抹結構粘膠的區域(下圖白色高亮區域),確定好連接與被連接板件,合理地控制粘連板件之間的容差及粘膠厚度(約為0.2--05mm),即可創建,如下圖所示:

3.3 結構泡沫structural foam的模擬

結構泡沫的建模可直接采用四面體實體單元進行粘膠模擬。具體步驟如下所示:

下圖所示為某乘用車型帶前后風擋白車身有限元模型,其中節點數704763個,單元數693983個.下面將運用上述兩種結構膠的建模方法,在不改變該車型車體結構的前提下,對該車型的門框變形量(扭轉工況)進行優化。

扭轉工況下的門框變形量分析的邊界條件為:

l 約束左后減震器及右后安裝支座安裝孔中心點;

l 左右兩側的前減震器安裝孔中心建立關系約束;

l 施加某一扭距作用在左右前減震器安裝支座安裝孔中心點之間,可等效為圖示節點的Z向作用力。

4.1應用結構粘膠Adhesive粘連技術進行優化

根據白車身扭轉工況下的應變能情況,在應變能較大的區域涂抹結構粘膠,如下圖所示:

門框變形量優化結果如下所示:

表1 白車身門框變形量優化結果

從分析結果可知,經優化的各門框變形量降低約7.5%左右,H方向上的變形量降低略高,為11.09%,整體優化效果不顯著。

4.2應用結構泡沫structural foam技術進行優化

根據白車身扭轉工況下的應變能情況,在應變能較大的區域填充結構泡沫,如下圖所示:

優化結果如下所示:

從分析結果可知,經優化的各門框變形量均十分顯著的降低,均在30%以上,扭轉剛度值的提升幅度高達18.84%,扭轉模態也提高了1.76Hz,整體優化效果較理想。

本文借助Altair公司的HyperMesh軟件對結構粘膠及結構泡沫進行了有效的有限元模擬,在不改變車體結構的前提下,通過CAE方法分析了兩種結構膠對扭轉工況下的白車身門框變形量的最佳優化效果。從分析結果可知,結構粘膠及結構泡沫對降低各門框變形量均有一定作用,其中結構泡沫粘連技術對降低車體的門框變形量的效果顯著十分顯著,降低量均在30%以上,扭轉剛度的提升也到達18.84%,是較理想的優化方案。

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